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Covilh, 2010
Tecnologias e Sistemas da InformaoInformation Systems and
TechnologiesInformation Systems and Technologies
2010 / 2011
Pedro R. M. [email protected]
Departamento de Informtica (DI)Universidade da Beira Interior
(UBI)
Department of Computer ScienceDepartment of Computer
ScienceUniversity of Beira InteriorUniversity of Beira Interior
Bases de Dados IIBases de Dados IIDatabases IIDatabases II
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Covilh, 2010
Sumrio Arquitectura de Sistemas de Gesto de Bases de Dados.
Nveis de abstraco de dados, linguagens de definio e manipulao da
base de dados e discusso da topologia multi-utilizador que
melhor resulta em prol dos sistemas antes mencionados.
SummarySummaryDatabase Management Systems architecture. Data
abstraction levels, database definition Database Management Systems
architecture. Data abstraction levels, database definition and
manipulation languages and discussion of the multi-user topology
that best suits the and manipulation languages and discussion of
the multi-user topology that best suits the
purposes of the aforementioned systems.purposes of the
aforementioned systems.
Aula 2Aula 2Lecture 2Lecture 2
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Covilh, 2010
Arquitectura de Sistemas de Gesto de Bases de DadosArquitectura
de Sistemas de Gesto de Bases de DadosDataBase Management Systems
ArchitectureDataBase Management Systems Architecture
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Material de Apoio Cadeira de Bases de Dados IISupport Material
to the Subject of Databases IIDI, UBI, 2010/2011
Objectivos Desta AulaObjectives of this LectureObjectives of
this Lecture
O propsito e a origem da arquitectura de base de dados a trs
nveis.
O contedo dos nveis externo, conceptual e interno.
O propsito dos mapeamentos entre nveis externo e conceptual, e
entre os nveis conceptual e interno.
O significado de independncia lgica e independncia fsica de
dados.
A distino entre uma DDL (Data Definition Language) e uma DML
(Data Manipulation Language).
Classificao de modelos de dados.
As funes/servios tpicos fornecidos por um Sistema de Gesto de
Bases de Dados (da designao inglesa Database Management System
(DBMS)).
As componentes dum DBMS.
O significado da arquitectura cliente-servidor e as suas
vantagens num ambiente DBMS multi-utilizador.
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to the Subject of Databases IIDI, UBI, 2010/2011
Objectivos Desta AulaObjectives of this LectureObjectives of
this Lecture
Bases de DadosBases de Dados
Coleco partilhada de dados (ficheiros) logicamente relacionados
concebida de forma a satisfazer as necessidades de informao duma
organizao (e.g. empresa imobiliria).
DBMS (DataBase Management System)DBMS (DataBase Management
System)
Coleco de programas que permite ao utilizador definir, criar,
aceder, manipular e fazer a manuteno os dados existentes numa
DB.
BDBDDBMSDBMSDefinio de tabelas
(Propriedade, Proprietrio,Arrendatrio e Contrato) +
definio de ficheiros
Vendas
Contratos
Entrada de Entrada de Dados / SadaDados / Sadade Relatriosde
Relatrios
Entrada de Entrada de Dados / SadaDados / Sadade Relatriosde
Relatrios
Prog.s de aplicaodo Dept. Vendas
Prog.s de aplicaodo Dept. Contratos
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to the Subject of Databases IIDI, UBI, 2010/2011
Desenho de uma Base de DadosDesign of a DatabaseDesign of a
Database
Um dos principais objectivos dum sistema de base de dados
fornecer aos utilizadores uma perspectiva abstractaabstracta dos
dados, ocultando-lhes ocultando-lhes o modoo modo como os mesmos so
armazenados e manipulados.
Isto significa que o desenho (design) duma base de dados comea
por uma descrio abstractaabstracta e geralgeral dos requisitos de
informao duma organizao. Esta descrio faz-se normalmente em termos
de:
EntidadesEntidades;
AtributosAtributos e;
RelaesRelaes.
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Arquitectura ANSI-SPARC de um DBMS (1975): Objectivos de
DesenhoANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Design
ObjectivesANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Design
Objectives
Todos os utilizadores devem ter acesso aos mesmos dados.
A perspectiva do utilizador deve ser imune s alteraes feitas
noutras perspectivas (ou vistas ou views).
Os utilizadores no precisam de saber dos detalhes de
armazenamento fsico da base de dados.
O Administrador da Base de Dados (designao mais comum em ingls
DataBase Administrator (DBA)) deve ser capaz de alterar as
estruturas de armazenamento da base de dados sem afectar as vistas
dos utilizadores.
A estrutura interna da base de dados no deve ser afectada por
alteraes fsicas de armazenamento.
O DBA deve ser capaz de alterar a estrutura conceptual da base
de dados sem afectar os utilizadores.
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Arquitectura ANSI-SPARC de um DBMS (1975): Nveis de Abstraco de
DadosANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction
LevelsANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction
Levels(1/4)(1/4)
Nvel externoNvel externo (utilizador): descrio personalizada e
parcial dos dados.
Cada perspectivaCada perspectiva (view) externa inclui as
entidades, atributos e relaes que so relevantes para o utilizador
ou departamento em causa.
Alm disso, perspectivas distintas podem ter representaes
diferentes dos mesmos dados. Por exemplo, o dado datadata pode ser
descrito nas seguintes formas:
(dia,ms,ano) (ano,ms, dia)
BDBD
EsquemaEsquemaInternoInterno
EsquemaEsquemaConceptualConceptual
Esquema ExternoEsquema Externo
Perspectiva 1 Perspectiva 2 Perspectiva 3
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Arquitectura ANSI-SPARC de um DBMS (1975): Nveis de Abstraco de
DadosANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction
LevelsANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction
Levels(2/4)(2/4)Nvel conceptual Nvel conceptual (DBA): descrio
comunitria/total
dos dados.Este nvel descreve queque dados e suas relaes esto
armazenados na BD.
Este nvel compreende:Este nvel compreende:
Todos os dados;
Todos os atributos;
Todas as relaes;
As restries sobre os dados;
Informao semntica dos dados;
Informao de integridade e segurana.
Este nvel nono compreende dados dependentes do armazenamento.
Por exemplo, a descrio duma entidade contm os tipos de dados dos
seus atributos (p.ex. integer, real, char), mas no o nmero de bytes
ocupados por cada um dos atributos. BDBD
EsquemaEsquemaInternoInterno
EsquemaEsquemaConceptualConceptual
Esquema ExternoEsquema Externo
Perspectiva 1 Perspectiva 2 Perspectiva 3
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Arquitectura ANSI-SPARC de um DBMS (1975): Nveis de Abstraco de
DadosANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction
LevelsANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction
Levels(3/4)(3/4) Nvel interno Nvel interno (sistema): Representao
fsicafsica
da BD. Descrio de como os dados esto armazenados (estruturas de
dados e ficheiros usados ao mais baixo-nvel).
Este nvel compreende:Este nvel compreende:
Alocao de memria para dados/ndices;
Descries de registos (c/ tamanhos dos dados);
Colocao de registos;
Tcnicas de compresso e cifragem de dados;
Algoritmos de acesso ao sistema de ficheiros via sistema
operativo. BDBD
EsquemaEsquemaInternoInterno
EsquemaEsquemaConceptualConceptual
Esquema ExternoEsquema Externo
Perspectiva 1 Perspectiva 2 Perspectiva 3
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Nvel Fsico: Sistema, Linguagem C
Nvel Conceptual: DBA
Perspectiva 1: Dep. Contabilidade Perspectiva 2: Dep. Recursos
Humanos
Arquitectura ANSI-SPARC de um DBMS (1975): Nveis de Abstraco de
DadosANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction
LevelsANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction
Levels(4/4)(4/4)
structSTAFF{structSTAFF{intStaff_no;intStaff_no;intBranch_no;intBranch_no;charFName[15];charFName[15];charLName[15];charLName[15];structdateDate_of_Birth;structdateDate_of_Birth;floatSalary;floatSalary;structSTAFF*next;structSTAFF*next;
};};indexStaff_no;indexBranch_no;indexStaff_no;indexBranch_no;
Func_noFunc_no NomeNome ApelidoApelido IdadeIdade DNascDNasc
VencimentoVencimento Filial_noFilial_no
Func_noFunc_no NomeNome ApelidoApelido IdadeIdade DNascDNasc
DNascDNasc VencimentoVencimento Filial_noFilial_no
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Esquemas e InstnciasSchemes and InstancesSchemes and
Instances
Esquema da BD:Esquema da BD: Descrio global da BD.NotaNota:
importante distinguir entre a descrio da DB e a prpria DB.
Esquema externo:Esquema externo: conjunto dos subesquemas
externos que descrevem as perspectivas dos utilizadores.
Esquema conceptual:Esquema conceptual: descrio de todos os dados
e suas interrelaes, assim como das restries de integridade
associadas. Existe s um esquema conceptual.
Esquema interno:Esquema interno: contm as definies dos registos
armazenados, mtodos de representao, campos dos registos, indces e
esquemas de hashing. S existe um esquema interno.
Instncia:Instncia: conjunto de informao existente numa base de
dados num dado instante. As bases de dados mudam ao longo do tempo,
atravs da introduo de mais informao ou do apagamento de informao
existente na base de dados.
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Independncia dos DadosData IndependenceData Independence
um dos principais objectivos da arquitectura ASNSI-SPARC.
Significa que um nvel de abstraco Significa que um nvel de
abstraco no afectado por alteraes no afectado por alteraes
ocorridas em nveis inferiores.ocorridas em nveis inferiores.
H dois tipos de independnciaindependncia de dados:
LgicaLgica FsicaFsica
BDBD
EsquemaEsquemaInternoInterno
EsquemaEsquemaConceptualConceptual
Esquema ExternoEsquema Externo
Perspectiva 1 Perspectiva 2 Perspectiva 3
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Independncia Lgica dos DadosLogical Data IndependenceLogical
Data Independence
Independncia lgica de dados:Independncia lgica de dados:
invarincia dos subesquemas externos a quaisquer alteraes no esquema
conceptual.
Obviamente, os utilizadores no tm que ter conhecimento destas
alteraes, com excepo daqueles para os quais as alteraes foram
feitas.
De que alteraes poderemos estar a De que alteraes poderemos
estar a falar?falar?
A adio e remoo de entidades, atributos e relaes devem ser
possveis sem afectar os esquemas externos existentes ou reescrever
programas de aplicao. BDBD
EsquemaEsquemaInternoInterno
EsquemaEsquemaConceptualConceptual
Esquema ExternoEsquema Externo
Perspectiva 1 Perspectiva 2 Perspectiva 3
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Independncia Fsica dos DadosPhysical Data IndependencePhysical
Data Independence
Independncia fsica de dados:invarincia do esquema conceptual
externos a quaisquer alteraes no esquema interno.
Do ponto de vista do utilizador, a nica alterao admissvel no
desempenhodesempenho do DBMS. Porque?
De que alteraes poderemos estar a falar?alterao das estruturas
de dados, alterao na organizao de ficheiros, alterao utilizao de
dispositivos de armazenamento, alterao dos algoritmos de indexao e
hashing.
BDBD
EsquemaEsquemaInternoInterno
EsquemaEsquemaConceptualConceptual
Esquema ExternoEsquema Externo
Perspectiva 1 Perspectiva 2 Perspectiva 3
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Linguagem de Definio de Dados(do ingls Data Definition Language
(DDL))Data Definition Language (DDL)Data Definition Language
(DDL)
O esquemaesquema duma base de dados especificado atravs de um
conjunto de definies expressas numa linguagem especial designada
por Linguagem de Definio de Dados (DDL).
Na Linguagem Estruturada de Inquiries (do ingls Structured Query
Language (SQL)), a DDL inclui basicamente quatro comandos:
CREATEDATABASE,DROPDATABASE
CREATETABLE,DROPTABLE,ALTERTABLE
CREATEVIEW,DROPVIEW
CREATEINDEX,DROPINDEX
Definies Definies em DDLem DDL
DicionrioDicionrioDe DadosDe DadosCompilaoCompilao
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Linguagem de Manipulao de Dados(do ingls Data Manipulation
Language (DML))Data Manipulation Language (DML)Data Manipulation
Language (DML)
Os dados contidos numa base de dados podem ser manipulados
atravs de uma linguagem de manipulao de dados (do ingls Data
Manipulation Language Data Manipulation Language (DML))). As quatro
operaes de manipulao de dados so as seguintes:
consulta aos dados da BD;
insero de novos dados na BD;
actualizao de dados na BD;
eliminao de dados da BD.
Em SQL, a DML inclui basicamente quatro comandos:
SELECT
INSERT
UPDATE
DELETE
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Liguagem Estruturada de Inquiries(do Ingls Structured Query
Language (SQL))Structured Query Language (SQL)Structured Query
Language (SQL)(1/2)(1/2)
Foi desenvolvida pela IBM durante os anos 70.
Inicialemente designada por SEQUEL (Structured English Query
Language)
Foi preciso escrever normas para esta linguagem, devido sua
adopo por muitos construtores e vendedores de solues
informticas:
SQL-86 SQL-89 (reviso menor da anterior) SQL-92 (reviso
substancial) SQL-99 (reviso substancial, standard actual)
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Liguagem Estruturada de Inquiries(do Ingls Structured Query
Language (SQL))Structured Query Language (SQL)Structured Query
Language (SQL)(2/2)(2/2)
Unifica a DDL e a DML numa nica linguagem.
Engloba ainda outros aspectos, como por exemplo os relacionados
com a administrao da base de dados.
uma linguagem no-procedimental. Funciona em modo
interactivo.
No tem operadores de controlo como o IF-THEN-ELSE;
uma linguagem declarativa, o que significa que s temos de
especficar o que queremos, e no como deve ser feito.
Existem vrias extenses linguagem SQL de tal modo que os comandos
SQL podem ser embutidos em linguagens de programao tradicionais
(Pascal, C, etc.) ou de scripting (como o php etc.)
uma norma ISO e ANSI.
ISO (International Standards Organization)
ANSI (American National Standards Institute)
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Linguagens de Quarta Gerao44thth Generation Languages (4GL)
Generation Languages (4GL)
1st Generation: linguagem mquina.
2nd Generation: linguagem de programao de baixo nvel como
assembly.
3rd Generation: linguagem de alto nvel como Java, C, etc.
Algumas classes de Linguagens de Quarta GeraoLinguagens de
Quarta Gerao (da designao inglesa 4th Generation Languages
(4GL)):
Linguagens de inquiries.
Exemplo: SQL. Geradores de relatrios.
Geradores de formulrios.
Geradores de grficos.
Geradores de aplicaes. 5th Generation: linguagem de alto nvel
com ambiente grfico que ajuda a programar.
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Modelo de DadosData Model Data Model (1/2)(1/2)
Modelo de Dados:Modelo de Dados:
Uma coleco integrada de conceitos cujo objectivo descrever os
dados, as relaes entre os dados e as restries impostas aos dados
duma organizao, bem como o modo de os aceder e guardar.
Classes de Modelos de Dados:Classes de Modelos de Dados:
Baseados em objectos
Entidade-Relao;Entidade-Relao; Semntico; Funcional; Orientado
por objectos.
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Modelo de Dados Entidade-RelaoEntity-Relation Data
ModelEntity-Relation Data Model
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Modelo de DadosData ModelData Model(2/2)(2/2)
Modelo de Dados:
Uma coleco integrada de conceitos cujo objectivo descrever os
dados, as relaes entre os dados e as restries impostas aos dados
duma organizao, bem como o modo de os aceder e guardar.
Classes de Modelos de Dados:
Baseados em registosBaseados em registos
Modelo relacional de dados;Modelo relacional de dados; Modelo em
rede de dados;
Modelo hierrquico de dados;
Fsicos.Fsicos.
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Funes / Servios de um DBMSFunctionalities / Services Provided by
a DBMSFunctionalities / Services Provided by a DBMS(1/2)(1/2)
ArmazenamentoArmazenamento, devoluodevoluo e
actualizaoactualizao de dados. a funo principal de qualquer
DBMS.
Catlogo acessvel ao utilizadorCatlogo acessvel ao utilizador.
Contm os dados referentes aos esquemas, utilizadores, aplicaes,
etc.
Suporte a transaesSuporte a transaes. Um DBMS deve fornecer um
mecanismo que garanta que todas actualizaes referentes a uma
determinada transao so efectuadas ou nenhuma delas efectuada.
Controlo da concorrnciaControlo da concorrncia. Um DBMS deve
fornecer um mecanismo que garanta que a base de dados seja
actualizada correctamente quando vrios utilizadores esto a
actualiz-la concorrentemente.
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Funes / Servios de um DBMSFunctionalities / Services Provided by
a DBMSFunctionalities / Services Provided by a DBMS(2/2)(2/2)
Recuperao de falhasRecuperao de falhas. Um DBMS deve fornecer um
mecanismo de recuperao da DB em caso de ocorrncia de falha numa
transao.
AutorizaoAutorizao. Um DBMS deve fornecer um mecanismo que
garanta que somente utilizadores autorizados tenham acesso base de
dados.
Comunicao de dados.Comunicao de dados. Um DBMS deve ser capaz de
se integrar com o software de comunicao em rede.
Integridade.Integridade. Um DBMS deve fornecer um mecanismo que
garanta que os dados e suas alteraes seguem determinadas regras de
consistncia.
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Componentes de um DBMSDBMS ComponentsDBMS Components
ProgramadoresProgramadores UtilizadoresUtilizadores
Administrador BDAdministrador BD
DBMSDBMSQueryQuery
ProcessorProcessorDDLDDL
CompilerCompiler
DictionaryDictionaryManagerManager
DatabaseDatabaseManagerManager
DMLDMLPreprocessorPreprocessor
ProgramProgramObject CodeObject Code
AccessAccessMethodsMethods
FileFileManagerManager
SystemSystemBuffersBuffers BDBD
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Topologias de Arquitecturas Multi-UtilizadorTopologies of
Multi-User ArchitecturesTopologies of Multi-User Architectures
Teleprocessamento
Ficheiro-Servidor
Cliente-Servidor
Distribuda
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TeleprocessamentoTeleprocessingTeleprocessing
1 computador c/1 CPU + n terminais;
processamento centralizado;
terminais funcionalmente dependentes, i.e. s/ capacidade de
processamento;
DesvantagemDesvantagem: enorme sobrecargasobrecarga do
processador, para executar todas as tarefas, tais como aplicaes
(interfaces grficas), DBMS, edio de texto e de programas, formatao
dos dados mostrados no ecr, etc.
Terminal 1 Terminal 2
Terminal 4Terminal 3
BDBD
Mainframe
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Topologias de Arquitecturas Multi-Utilizador: Servidor de
FicheirosTopologies of Multi-User Architectures: File
ServerTopologies of Multi-User Architectures: File Server
1 computador servidor de ficheiros + n workstations + LAN;
1 servidor de ficheiros que contm as tabelas da base de dados;
funciona como uma drive de disco partilhada;
processamento DBMS distribudodistribudo, pois cada workstation
corre uma cpia do DBMS;
DesvantagensDesvantagens:
enorme quantidade de trfego na rede;
manuteno mais custosa: cada workstation requer uma cpia completa
do DBMS;
controlo da concorrncia, integridade dos dados e recuperao a
falhas so mais complexos, visto que h vrios DBMS a aceder aos
mesmos ficheiros.
Workstation 1DBMS 1
Workstation 2DBMS 2
Workstation 3DBMS 3
Servidor de Ficheiros BDBD
LANLAN
Pedido dedados
Devoluode ficheiros
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Topologias de Arquitecturas Multi-Utilizador: Cliente
ServidorTopologies of Multi-User Architectures: Client
ServerTopologies of Multi-User Architectures: Client Server
1 computador servidor DBMS + n workstations + LAN;
Servidor: processamento DBMS centralizado;
Cliente: gesto de interface com o utilizador e da lgica da
aplicao;
VantagensVantagens:
Acesso generalizado s bases de dados existentes;
Melhor desempenho (workstations processam aplicaes em
paralelo).
Custos de hardware reduzidos (s o servidor requer elevadas
capacidades de processamento e armazenamento).
Menores custos de comunicaes (menos informao a circular na
rede).
Garantia da integridade dos dados.
Workstation 1Cliente 1
Workstation 2Cliente 2
Workstation 3Cliente 3
Servidor de DBMS BDBD
LANLAN
Pedido dedados
Devoluode dados
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Topologias de Arquitecturas Multi-Utilizador:
DistribuidaTopologies of Multi-User Architectures:
DistributedTopologies of Multi-User Architectures: Distributed
n workstations + LAN;
VantagensVantagens: Computao distribuida;
Menos dados em cada BD.
DesvantagensDesvantagens: Cada WorkStation tem de ser capaz
de
interagir com a usa prpria BD e possivelmente passar informaes a
outras WorkStations;
Potencialmente h mais carga na rede;
Hardware mais caro;
Integridade da informao global;
etc
Workstation 1DBMS
Workstation 2DBMS
Workstation 3DBMS
BDBD
LANLAN
BDBD
BDBD
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Concluses / SumrioConclusions / SummaryConclusions / Summary
Desenho de bases de dados.
Arquitectura ANSI-SPARC.
Esquemas e instncias.
Independncia de dados.
Data Definition Language (DDL).
Data Manipulation Language (DML).
Structured Query Language (SQL).
Linguagens 4G.
Modelos de dados.
Funes/servios dum DBMS.
Componentes dum DBMS.
Topologias da arquitectura dum DBMS multi-utilizador.
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